水庫壩基防滲加固方案的選擇

趙德亮

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

該水庫是新疆境內(nèi)的一座中型平原水庫，主要以灌溉為主，兼顧漁業(yè)、旅游業(yè)。擴建后的水庫其設計庫容5800萬m3，死庫容175萬m3；正常蓄水位1024.30 m，死水位1019.70 m，控制灌溉面積2.67萬hm2，可改善灌溉面積4.67萬hm2。水庫主要建筑物由進水閘、引水渠、大壩、泄水閘、泄水渠等部分組成。大壩壩線總長12.4 km，壩頂寬6.0 m，最大壩高8.7 m，大壩上游壩坡坡比為1∶3，下游壩坡坡比為1∶2.5；泄水閘為3孔涵洞鋼筋混凝土閘，位于大壩6+355 m處，閘室總寬9.3 m，總長28.2 m，閘孔過水寬度2.0 m×3.0 m，孔口凈高1.9 m，最大過水流量25 m3/s；進水閘、分水閘位于大壩0+000 m總干渠上，由總干渠分水至水庫，設計流量均為15 m3/s，進水閘與分水閘夾角44°，各1孔，均為鋼筋混凝土結構。

水庫運行至今已多年，現(xiàn)狀水庫大壩3+338～4+988 m段在水庫蓄水時滲漏嚴重，壩后管涌、滲積水嚴重，使水庫未能達到設計庫容，僅保持4000萬m3的安全蓄水量，建筑物不能正常運行，整個灌區(qū)的調蓄水任務不能滿足，且下游灌區(qū)及人民群眾的生命財產(chǎn)受到威脅。為解決以上問題并使水庫恢復原設計庫容5800萬m3，對大壩3+338～4+988 m段進行防滲加固，以保證大壩的安全運行，改善灌區(qū)條件，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保證“棉花基地”建設項目的實施。

2 滲漏的類型及原因分析

2.1 滲漏類型

土壩滲漏的類型有：壩體滲漏、壩基滲漏、繞壩滲漏[1]，本水庫根據(jù)現(xiàn)場查勘及運行管理人員介紹，主要為壩基滲漏，根據(jù)勘探資料顯示(樁號3+338～4+988 m)壩基地層巖性以粉土質砂為主，粉細砂次之、局部夾低液限黏土透鏡體，表層細砂厚度1.5～2.5 m，粉土質砂厚約5.5～6.5 m，土黃色，飽和，松散-稍密。根據(jù)滲透變形判定，壩基粉土質砂的破壞形式為管涌型，粉細砂為流土型，經(jīng)計算，確定得出壩體土允許坡降為0.44；壩基土允許坡降為0.18。

2.2 從該壩段防滲措施角度分析

根據(jù)水庫大壩歷次加固后，各壩段在壩后不加蓋重的情況下，下游均存在局部滲水的現(xiàn)象，在大壩壩后加蓋重后，壩后滲水現(xiàn)象消失，但壩段3+338～4+988 m段，壩基未做防滲處理，壩后未進行加蓋重處理，因此，下游滲漏的問題依然存在。

2.3 滲漏量計算

根據(jù)壩基滲漏計算，按水庫高水位年運行180 d 考慮，該段壩基年滲漏量16.03萬m3/a，滲漏較為嚴重，建議對該段壩基進行防滲處理，減少滲漏的同時消除壩后滲透破壞現(xiàn)象。

2.4 理論計算分析

(1)計算方法。對壩體3+338～4+988 m段進行滲透穩(wěn)定分析，計算采用河海大學編制的滲流穩(wěn)定分析軟件(AutoBANK6.1)進行計算。計算見圖1。

圖1 現(xiàn)狀實際壩體穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

(2)計算斷面。此段壩頂高程1027.20 m，上游壩坡為混凝土板+復合土工膜。

(3)計算工況。計算工況：上游正常蓄水位1024.30 m相應下游水位穩(wěn)定滲流期。

(4)計算參數(shù)。壩體主要材料各分區(qū)滲透系數(shù)取值根據(jù)《水庫初步設計報告》、水庫施工資料并參考類似工程確定，大壩滲流計算主要參數(shù)見表1。

表1 滲流計算主要參數(shù) cm·s-1

(5)計算結果。滲流穩(wěn)定計算成果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定計算成果

經(jīng)滲流計算分析見表2，該壩段下游壩坡出逸比降0.232，小于允許的破壞比降0.440，下游壩基出逸比降0.199，大于允許的破壞比降0.180，因此壩體滿足滲透穩(wěn)定要求，壩基現(xiàn)狀不滿足滲透穩(wěn)定要求。經(jīng)理論分析，壩體防滲設施不完備，導致壩基出逸比降大于規(guī)范允許值，滲漏量偏大。

3 防滲加固方案的選擇

水庫大壩除險加固工程中常用防滲技術主要有：高壓噴射灌漿處理技術、混凝土防滲墻技術、復合土工膜防滲處理技術[2]、水平鋪蓋土工膜防滲方案、壩后加蓋重防滲方案。結合水庫實際情況本次壩基防滲處理選用方案一水泥土攪拌樁防滲墻垂直防滲、方案二水平鋪蓋土工膜防滲方案及方案三壩后加蓋重防滲方案，對這三種方案進行適用條件、防滲效果、施工條件、工程占地、工程量及工程投資等多方面的綜合比較，選擇最優(yōu)的防滲加固處理措施。

本次在壩體樁號3+338～4+988 m段兩側各加寬100 m即3+288～5+080 m段進行防滲加固處理。

3.1 方案一：水泥土攪拌樁防滲墻垂直方案

(1)結構形式。本次水泥土攪拌樁防滲墻軸線位于3+288～5+080 m段混凝土阻滑墻上游側6.0 m，防滲墻厚度采用0.3 m，深入壩基以下8.0 m。防滲墻頂設C25F200W6混凝土梁帽，C25混凝土梁帽寬1.0 m，厚0.8 m，防滲墻嵌入混凝土梁帽0.5 m，土工膜錨入梁帽中。

(2)施工技術。水泥土攪拌樁防滲墻是用水泥作為主固化劑，通過特質的深層攪拌樁機械設備在地層深處將固化劑與原軟土層強制拌合以加固軟弱地基，具有防滲加固效果好、工程造價低、適用地層廣泛、施工速度快等優(yōu)點。

3.2 方案二：上游壩坡腳設置土工膜水平鋪蓋方案

土工膜防滲設計也是當前中小型水庫除險加固防滲處理常用方法[3]。

(1)結構形式。在大壩3+338～4+988 m段上游側加寬100 m，即3+288～5+080 m段壩前設置土工膜水平鋪蓋，鋪蓋長度50 m，土工膜上利用開挖土料做為壓重，壓重厚度1.0 m。復合土工膜采用兩布一膜(150 g/m2+0.5 mm+150 g/m2)。新土工膜采用鉚接方式與阻滑墻連接。

(2)施工技術。施工要求的工作面最寬，要利用低水位(庫水位小于1022.10 m)并在庫內(nèi)修建臨時圍堰進行導水，進行施工，且施工工藝簡單，施工質量易控制。

3.3 方案三：下游壩坡腳設置蓋重方案

(1)結構形式。在大壩3+338～4+988 m段壩后增設40 m寬的壩后壓重(底層設有50 cm厚砂礫石透水料，其表層為1.6 m厚的風積砂料)。

(2)施工技術。壩后只進行透水料及現(xiàn)場的風積砂料進行填筑即可，施工工藝簡單，施工質量易控制。

3.4 方案比選

在壩段3+338～4+988 m，對以上三種處理方法，從適用條件，防滲效果、施工條件、工程占地及工程投資等幾個方面進行技術經(jīng)濟比較，見表3。

表3 基礎防滲加固方案技術經(jīng)濟比較

方案一:水泥土攪拌樁防滲墻方案。懸掛式防滲，施工受庫水位影響小，施工速度快，在新疆工程實例較多，防滲效果較好，施工時質量控制難度較大，投資較大。

方案二:壩前設置土工膜水平鋪蓋方案。施工受庫水位影響稍大，施工時質量缺陷易檢查，施工速度快，技術較簡單，投資小。

方案三:下游壩坡腳設置蓋重方案。經(jīng)現(xiàn)場勘查下游40 m范圍(水庫管理范圍內(nèi))已被耕地、林地占用，水庫大壩管理范圍內(nèi)基本農(nóng)田(約6 hm2)的置換工作較難實施，結合水庫實際情況，在該壩段采用壩后蓋重處理方案實施困難。其施工直接投資最小，但占地補償費巨大。

綜上，從施工條件及效果、占地補償、工程投資等方面綜合分析比較，本次選用方案二壩前設置土工膜水平鋪蓋作為推薦方案。

4 加固方案滲流穩(wěn)定計算分析

(1)計算工況。上游正常蓄水位1024.30 m相應下游水位穩(wěn)定滲流期，進行滲透穩(wěn)定計算。計算簡圖見圖2。

圖2 上游壩坡腳設置土工膜水平鋪蓋穩(wěn)定滲流期流網(wǎng)圖

(2)計算方法。滲透穩(wěn)定計算采用河海大學編制的滲流穩(wěn)定分析軟件(AutoBANK6.1)進行計算。選取典型斷面進行滲流計算。

(3)計算參數(shù)。壩體主要材料各分區(qū)滲透系數(shù)取值根據(jù)《水庫初步設計報告》、水庫施工資料并參考類似工程確定，大壩滲流計算主要參數(shù)見表1。

根據(jù)地質資料，所選斷面壩體土的滲透破壞類型為流土，壩基土的滲透破壞類型為管涌，經(jīng)計算其允許滲透比降為：壩體0.44、壩基0.18。

(4)計算結果。見表4。

表4 方案二滲流穩(wěn)定計算成果

(5)計算分析。通過滲流計算可以看出，設計方案下游壩坡坡腳最大破壞比降均小于允許的破壞比降0.44，壩基最大破壞比降均小于允許的破壞比降0.18，壩體、壩基滿足滲透穩(wěn)定要求，因此選擇上游水平鋪膜方案，滲流穩(wěn)定方式均滿足要求。

5 結 語

在水庫的防滲加固設計時，要針對水庫的具體情況，諸如滲透穩(wěn)定及現(xiàn)場滲漏量等情況選擇合適的防滲加固方案，本文經(jīng)過方案比選最終選定土工膜水平鋪蓋方案，加固后壩基防滲效果顯著，滿足設計要求，最終使水庫安全運行，發(fā)揮調蓄水的作用。